一種新型高層恒壓智能供水系統(tǒng)研究

唐 亮，陸明剛，施銀中

(上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海200072)

0 引 言

近年來(lái)，隨著人民生活水平不斷提高，人們對(duì)供水系統(tǒng)的可靠性與供水質(zhì)量提出了更高的要求，然而在目前城市系統(tǒng)供水中存在的不合理因素較多，如系統(tǒng)自動(dòng)化調(diào)節(jié)程度不高，可靠性較差，設(shè)備維護(hù)不便等，無(wú)法較好地保障供水質(zhì)量，供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)或運(yùn)行不合理也時(shí)常發(fā)生水資源浪費(fèi)，管網(wǎng)漏損等現(xiàn)象［1］。由于目前常規(guī)恒壓供水系統(tǒng)的壓力設(shè)定值是根據(jù)高層建筑的實(shí)際高度加以設(shè)定的，對(duì)實(shí)際應(yīng)用中實(shí)時(shí)水的流量變化對(duì)控制系統(tǒng)的影響沒(méi)有加以考慮。為此，本文提出實(shí)時(shí)恒壓供水系統(tǒng)在滿足高層建筑用水的情況下，其目標(biāo)恒壓設(shè)定值可以根據(jù)自來(lái)水實(shí)時(shí)流量與預(yù)先設(shè)定的流量值的比較，通過(guò)結(jié)合模糊PID 控制算法的ARM7LPC-2119 微控制器進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到在供水系統(tǒng)穩(wěn)定前提下進(jìn)一步降低供水系統(tǒng)能耗的目的。

1 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)通過(guò)水泵出口端的壓力傳感器測(cè)得壓力值，通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入到控制器的輸入模塊，通過(guò)ARM 控制器將實(shí)時(shí)輸入量與目標(biāo)設(shè)定量進(jìn)行運(yùn)算比較，在經(jīng)過(guò)控制器內(nèi)寫(xiě)入的控制算法處理得到輸出量，并通過(guò)D/A 轉(zhuǎn)換將輸出控制量轉(zhuǎn)換為模擬量輸入到變頻器，變頻器調(diào)節(jié)設(shè)定頻率控制水泵轉(zhuǎn)速使實(shí)際壓力值趨向目標(biāo)壓力值，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。由于系統(tǒng)采用多臺(tái)水泵運(yùn)行，控制器需要根據(jù)當(dāng)前反饋壓力與設(shè)定壓力的差值選擇是否加泵運(yùn)行或減泵運(yùn)行，同時(shí)，根據(jù)水泵的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間和水泵循環(huán)運(yùn)行次序進(jìn)行水泵運(yùn)行切換。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Block diagram of system structure

2 供水系統(tǒng)模式的能耗分析與選擇

現(xiàn)今，在樓房建筑的供水系統(tǒng)存在多種運(yùn)行方式:傳統(tǒng)供水運(yùn)行模式(樓頂水箱，水塔氣壓供水)、節(jié)流調(diào)節(jié)供水模式、恒壓供水模式，因?yàn)閭鹘y(tǒng)供水模式基本已不用于高層建筑中，因此，本文主要對(duì)節(jié)流調(diào)節(jié)供水模式和恒壓供水模式的能耗進(jìn)行分析。

2.1 節(jié)流調(diào)節(jié)供水模式

節(jié)流調(diào)節(jié)供水模式主要是通過(guò)對(duì)供水管道中閥門的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使供水管路的特性曲線發(fā)生變化，以改變水泵的工況點(diǎn)，如圖2 所示。H 為水泵的特性曲線，Hy1為管路中閥門全開(kāi)時(shí)的管路特性曲線，Hy2為管路中閥門關(guān)閉一定開(kāi)度后的管路特性曲線。當(dāng)供水系統(tǒng)所需流量從QB減小為QA時(shí)，閥門關(guān)閉一定開(kāi)度。由圖可知，此時(shí)供水系統(tǒng)理論所需揚(yáng)程為HCD，而實(shí)際提供揚(yáng)程則為HAD，這就使揚(yáng)程HAC沒(méi)有得到很好的利用，因此，造成節(jié)流調(diào)節(jié)供水模式并沒(méi)有達(dá)到節(jié)能的效果［2］。

圖2 節(jié)流調(diào)節(jié)供水模式Fig 2 Throttling adjustment water supply mode

2.2 恒壓供水模式

恒壓供水模式指的是通過(guò)改變水泵的轉(zhuǎn)速使水泵的出口水壓保持恒定，若已知某系統(tǒng)的供水管路的特性曲線為Hy1，水壓要求恒定于水平線H恒，水泵在額定轉(zhuǎn)速下的特性曲線為H1，該水泵運(yùn)行性能曲線如圖3 所示。Hy1與H1交點(diǎn)B 即為水泵額定工況點(diǎn)，QB為額定流量。當(dāng)管路所需流量為QA(QB＞QA)時(shí)，因?yàn)閴毫π枰３趾愣?，此時(shí)水泵工況點(diǎn)調(diào)整為 A 點(diǎn)。根據(jù)水泵相似理論格式 H=KQ2［3，4］，得到過(guò)A 點(diǎn)的相似曲線SA，因?yàn)楣┧苈窙](méi)有改變，即管路揚(yáng)程損失不變，根據(jù)水泵相似理論，管路特性曲線變?yōu)橐訯=0，H=H 為原點(diǎn)的曲線Hy2，過(guò)A 點(diǎn)做橫軸垂線交曲線Hy1于C 點(diǎn)，HC為流量QC下管路所需揚(yáng)程，故HAC為富余揚(yáng)程。因此，水泵恒壓供水模式也存在能量的浪費(fèi)［5］。

圖3 恒壓供水模式Fig 3 Constant pressure water supply mode

2.3 兩種模式能耗比較

根據(jù)對(duì)以上2 種水泵調(diào)速運(yùn)行模式能耗的分析，發(fā)現(xiàn)2 種模式下水泵運(yùn)行都存在能量的浪費(fèi)。假設(shè)某供水管路額定流量QB，管路特性曲線Hy1和水泵額定轉(zhuǎn)速下特性曲線H1在2 種模式運(yùn)行中保持不變，將圖2 與圖3 合成如圖4所示，在供水管路流量減小為QA時(shí)，節(jié)流調(diào)節(jié)模式下能量浪費(fèi)為HDC，恒壓供水模式HAC(HDC＞HAC)，因此，采用恒壓供水模式，系統(tǒng)更加節(jié)能。

圖4 節(jié)流調(diào)節(jié)與恒壓供水兩種模式Fig 4 Two modes of throttling adjustment and constant pressure water supply

對(duì)恒壓供水模式的進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，隨著流量的逐步減小，恒壓供水模式下水泵富余揚(yáng)程不斷增大，根據(jù)高層建筑不同時(shí)段所需流量差值較大，本文提出在保證正常供水的前提下，根據(jù)實(shí)時(shí)的水量變化調(diào)節(jié)供水系統(tǒng)的恒壓目標(biāo)值，以進(jìn)一步減小系統(tǒng)的能量損耗。因此，若要實(shí)現(xiàn)在供水系統(tǒng)不同時(shí)段的保障節(jié)能運(yùn)行，需要根據(jù)管路所需流量的變化和運(yùn)行特點(diǎn)確定對(duì)應(yīng)的恒壓值，實(shí)施變恒壓值供水，這樣才能保證水泵運(yùn)行在最佳節(jié)能狀態(tài)。

3 控制器設(shè)計(jì)與仿真

由于高層建筑的恒壓供水系統(tǒng)非線性、時(shí)變大、比較復(fù)雜的特點(diǎn)，而傳統(tǒng)PID 控制雖然具有簡(jiǎn)便，設(shè)定壓力值易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但其不具備良好的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性;模糊控制器具有良好的動(dòng)態(tài)性能，且對(duì)被控對(duì)象是否具有精確數(shù)學(xué)模型依賴性低的優(yōu)點(diǎn)，但其缺乏調(diào)整的精確性。因此，在PID 控制器的基礎(chǔ)上引入模糊控制，實(shí)現(xiàn)在不同區(qū)域的分級(jí)控制，就能使兩者的優(yōu)缺點(diǎn)能夠互補(bǔ)，達(dá)到更好的控制效果。在誤差較大的時(shí)候，采用模糊控制算法提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，使系統(tǒng)壓力值能夠快速接近目標(biāo)值，減小超調(diào)量;在誤差較小時(shí)，采用PID 控制算法，使系統(tǒng)壓力值能夠精確達(dá)到目標(biāo)值［6］。

為驗(yàn)證供水系統(tǒng)模糊PID 控制器的控制效果，系統(tǒng)設(shè)定恒壓值為0.8 MPa，仿真時(shí)間為120 s，采樣時(shí)間為1 ms。根據(jù)用水量的波動(dòng)性，為驗(yàn)證系統(tǒng)在水量高低峰差異較大情況下的抗擾動(dòng)的性能，與PID 控制器仿真相同在仿真時(shí)間60 s 時(shí)，給控制系統(tǒng)輸入一個(gè)幅值為0.4 MPa，持續(xù)時(shí)間為5 s 的負(fù)脈沖，用來(lái)模擬高層建筑在高峰時(shí)刻用水量的突然增加。系統(tǒng)通過(guò)Simulink 軟件仿真的結(jié)果如圖5 所示。

從仿真結(jié)果可以看出:基于模糊PID 控制器的恒壓供水系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間為25 s，超調(diào)量為15%，精確達(dá)到了系統(tǒng)的目標(biāo)壓力設(shè)定值0.8 MPa，系統(tǒng)有較好的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

4.1 智能供水控制器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與控制效果實(shí)驗(yàn)

圖5 模糊PID 控制器的仿真結(jié)果Fig 5 Simulation results of fuzzy PID controller

由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境本身的條件有限，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為高10 層的建筑，所以，對(duì)建筑物設(shè)定初始恒壓值為0.57 MPa。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用2 臺(tái)水泵構(gòu)成水泵組進(jìn)行供水，1 個(gè)基于ARM 智能開(kāi)關(guān)控制器，ABB 的中壓變頻器ACS510 一臺(tái)和外聯(lián)上位機(jī)電腦一臺(tái)。

由于實(shí)驗(yàn)條件限制設(shè)定系統(tǒng)恒壓設(shè)定值為0.57 MPa，測(cè)試時(shí)間開(kāi)始于上午10 點(diǎn)30 分，測(cè)試時(shí)間為30 min。為了模擬真實(shí)的用水情況，實(shí)驗(yàn)在初始設(shè)定水流量為10 L/s，在15 min 后模擬建筑用水的高低峰狀況，設(shè)定水流量為25 L/s，持續(xù)時(shí)間為5 min，實(shí)驗(yàn)的部分測(cè)試數(shù)據(jù)如圖6、圖 7、圖 8 所示。

圖6 水流量10 L/s 時(shí)數(shù)據(jù)Fig 6 Datas of water flow 10 L/s

圖7 水流量增加到25 L/s 時(shí)數(shù)據(jù)Fig 7 Datas of water flow 25 L/s

圖8 水流量返回為10 L/s 時(shí)的數(shù)據(jù)Fig 8 Datas of water flow back to 10 L/s

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出:本文設(shè)計(jì)的控制器按照目標(biāo)設(shè)定的壓力，驅(qū)動(dòng)變頻器調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了對(duì)建筑物恒壓、快速、穩(wěn)定供水的目標(biāo)。

4.2 智能供水方式和常規(guī)恒壓供水方式能耗對(duì)比實(shí)驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)的智能供水方式是指根據(jù)水泵出水口流量計(jì)測(cè)得到的流量變化，系統(tǒng)自動(dòng)搜索數(shù)據(jù)庫(kù)確定新的恒壓設(shè)定值和控制器的控制參數(shù)，更新系統(tǒng)設(shè)定的恒壓值和控制參數(shù)，對(duì)建筑物實(shí)現(xiàn)恒壓供水。常規(guī)恒壓供水方式為初始系統(tǒng)壓力設(shè)定后，系統(tǒng)運(yùn)行期間對(duì)壓力值不做修改，因此，在實(shí)驗(yàn)時(shí)只需關(guān)閉恒壓值調(diào)節(jié)子程序即可。2 種供水模式分別在 5，10，15 L/s 和 20 L/s 流量下各運(yùn)行 1 h，系統(tǒng)設(shè)定的初始恒壓值均為0.57 MPa，系統(tǒng)能耗的對(duì)比如圖9 所示。4 h 綜合工況實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:采用智能供水模式要比常規(guī)恒壓供水方式節(jié)能14.1%，因此，采用智能供水模式將使供水系統(tǒng)能耗降低，達(dá)到較好的節(jié)能效果。

圖9 智能供水模式與常規(guī)恒壓供水模式能耗對(duì)比Fig 9 Energy consumption contrast between intelligent water supply mode and conventional constant pressure water supply mode

5 結(jié)束語(yǔ)

在滿足高層建筑基本用水的情況下，根據(jù)用水量的變化確定實(shí)時(shí)恒壓目標(biāo)值，選取模糊PID 控制算法作為供水系統(tǒng)的控制策略，利用以ARM7LPC-2119 微控制器為核心的恒壓智能供水系統(tǒng)，仿真和實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)與結(jié)果均證明:該系統(tǒng)具有良好的控制效果和節(jié)能性，可以廣泛應(yīng)用于高層建筑、寫(xiě)字樓、醫(yī)院和工廠恒壓供水系統(tǒng)當(dāng)中。

［1］ 馬愛(ài)卿.高層住宅樓供水方案探析［J］.山西焦煤科技，2006(1):26 －27.

［2］ 湯志彪.基于變頻調(diào)速的恒壓供水智能控制系統(tǒng)［J］.煤礦機(jī)械，2005(6):93 －95.

［3］ 王福軍.水泵與水泵站［M］.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2005.

［4］ Lansey K，Awumah K.Optimal pump operations considering pump switches［J］.Journal Water Resources Planning and Management，2004，120(1):17 － 35.

［5］ 戴寶華，謝建凱.一種變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)［J］.武漢交通科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2000(8):466 －468.

［6］ 黃建新.基于ARM 的小區(qū)供水嵌入式智能控制系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)，2007(12):30 －31.